第五節　離子液體法纖維素纖維

一、離子液體概述

室溫離子液體（ionic liquid），又稱熔鹽，簡稱離子液體。是由特定的陽離子和陰離子組成的在室溫或接近室溫下呈液態的離子化合物。在這種液體中只含有陰陽離子，沒有中性分子。一般情況下，離子化合物在室溫下是固體，其強大的離子鍵使陰、陽離子只能在晶格中振動，而不能轉動或平動；離子化合物陰陽離子之間的作用較強，具有較高的熔點、沸點以及硬度，因此，離子化合物的液態只在高溫下存在。離子液體中使用了離子體積較大的有機陽離子代替了無機陽離子，使其晶格排列呈現較大的不規則性，大幅度降低其自身的熔點。陽離子中電荷越分散且對稱性越低，則離子液體的熔點也越低。

（一）離子液體的發展及現狀

最早關于離子液體的研究可以追溯到1914年，Walden等[87]發現并報道了第一個在室溫下呈液態的有機鹽——硝酸乙基胺（[EtNH3][NO3]），其熔點為12℃。它是由乙胺與濃硝酸反應制得。1948年，Hurley和Wier[88]在尋找一種溫和條件電解Al2O3時，將N-烷基吡啶加入AlCl3中，兩固體混合物加熱后發生反應，得到了無色透明的液體，這一偶然發現成為現在離子液體的雛形。20世紀70年代，Osteryoung研究小組在為導彈和空間探測器開發高效儲能電池時，重新合成了N-烷基吡啶氯鋁酸鹽離子液體。當時，離子液體的研究主要集中于電化學方面。到了80年代，Wilkes等[89]合成了1，3-二烷基咪唑氯鋁酸鹽類離子液體。而Seddon研究小組[90]則用氯鋁酸鹽作為非水極性溶劑，研究了不同過渡金屬配合物在這種離子液體中的化學反應、光譜學性質以及電化學行為等。由于氯鋁酸鹽類離子液體對水和空氣的敏感性成為了其應用中無法回避的缺點，同時，它們還具有較強腐蝕性，限制了其應用。因此，探尋對水和空氣穩定的離子液體顯得十分迫切。

1992年，Wilkes等[91]合成了世界上第一個對水和空氣都穩定的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸離子液體[EMIM][BF 4]。之后大量咪唑陽離子與[BF4]-、[PF6]-陰離子構成的新一代離子液體相繼問世，極大地擴展了離子液體在分離和材料等領域的應用。到2000年前后，離子液體的研究突飛猛進，并隨著綠色化學的興起，在全球范圍內形成離子液體研究的熱潮。

進入21世紀，離子液體研究進入了一個新的階段。新型離子液體不斷涌現，而其主要特征則是從耐水體系向功能體系發展，即根據某一應用需要，設計并合成具有特定功能的離子液體。如Rogers的研究小組[92]在咪唑陽離子上引入了硫脲官能團，賦予了離子液體萃取重金屬離子的能力。離子液體還可以作為一些天然高分子材料的溶劑，用于溶解加工這些材料。相關文獻已經報道了離子液體對于生物質材料具有很好的溶解性能。國際上第一個以離子液體為特色的大規模工業園已由德國BASF建成。離子液體的應用領域不斷擴大，從合成化和催化反應擴展到過程工程、產品工程、資源環境、功能材料以及生命科學等領域，離子液體與超臨界流體、電化學、生物、納米、信息等技術的結合，將進一步拓展離子液體的發展空間；離子液體的結構和性質數據的積累雖然十分有限，但已有一定的規模，為系統地探索離子液體的結構性質關系并建立離子液體的分子設計方法尊定了基礎[64]。現今，離子液體的研究正在蓬勃發展，方興未艾。

（二）離子液體的種類和性質

離子液體由陽離子和陰離子組成，種類繁多。根據陽離子的不同可將離子液體分為四類：烷基季銨離子、烷基季磷離子、1，3-二烷基取代的咪唑離子和N-烷基取代的吡啶離子，其結構如圖2-29所示。

陰離子種類有很多，大致可分為兩類：一類是鹵化鹽+AlCl3（Cl也可用Br代替），例如氯代-1-丁基-3-甲基咪唑氯鋁酸鹽（[BMIM]Cl—AlCl3），此類離子液體最大的缺點是對水極其敏感，要在真空或惰性氣體保護下才能進行處理和應用；另一類離子液體則是由熔點為12℃的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM][BF4]）發展起來的。這類離子液體不同于前者，其組成是固定不變的，對水和空氣的穩定性能優異，因此近幾年取得驚人發展。

離子液體中存在著強大的靜電相互作用，致使其物理與化學性質表現出非同尋常的特點。

（1）熔點。室溫離子液體的熔點自然都在室溫附近，而熔點與其結構間的關系目前還不明確。有研究表明[93]，當咪唑陽離子的兩個取代基結構對稱時，其熔點比不對稱時的高，原因是陽離子結構的非對稱性，會使其難以規則地排列而不能形成晶體。

（2）蒸汽壓。離子液體的主要特點是非揮發性或零蒸汽壓，這是由于離子液體內部存在著很大的庫侖力，即使在高溫和真空條件下，它也會保持很低的蒸汽壓，據此，離子液體成為傳統揮發性有機溶劑的綠色替代物。

（3）密度。通常咪唑型離子液體在室溫下的密度為1.1～1.7g/cm3。離子液體的密度主要取決于陰離子的體積和配位能力，陽離子結構的微小變化可以使離子液體的密度得到精細的調整。

（4）黏度。離子液體應用的最大障礙是黏度很高，高黏度會使很多有機反應的速率降低以及氧化還原物質的擴散速率降低。一般認為，離子液體內的庫侖力、范德瓦耳斯力以及氫鍵作用，陽離子的結構和陰離子的尺寸會對離子液體的黏度產生影響。通常可以通過升溫或加入有機共溶劑的方法調節離子液體的黏度。

（5）熱穩定性。多數離子液體的熱分解溫度在200℃以上，因此可以在高溫反應中代替傳統溶劑。離子液體的熱穩定性受雜原子與碳原子間以及與氫鍵間的作用力限制，與組成其的陽離子和陰離子的結構和性質有著密切關系。

（6）電導率。離子液體的電導率一般在10-3s/cm左右，大小與離子液體的黏度、相對分子質量、密度以及離子尺寸的大小都有著密切關系。其中黏度影響最顯著：黏度越大導電性越差。而密度對導電性的影響則正好與黏度相反，密度越小導電性越好。在黏度和密度相近時，通常離子體積越小，其導電性越好。

（7）電化學窗口。離子液體的電化學穩定性由陰陽離子的電化學穩定性決定。通常情況，離子液體的氧化電位由陰離子的氧化反應電位決定，還原電位則是由陽離子的還原反應電位決定，氧化電位和還原電位共同決定著離子液體的電化學窗口。

（8）溶解性。一般來說，離子液體與極性溶劑互溶性高，與非極性溶劑互溶性差，但具體溶解性能與其組成有關。此外，對大多數無機、有機和高分子材料來說，離子液體是一種優良的溶劑。

（三）離子液體的合成及應用

通過不同種類的合成路線可以得到不同類型的離子液體，這是離子液體的最大特點——可調控性，通常離子液體的合成可以簡單分為兩類。

一步合成法：通常是指直接通過鹵代烷或者中和反應等使氮或磷原子季銨化一步達到目標離子液體，該方法操作簡便，副產物少，產物提純容易。例如[BMIM]Cl、[AMIM]Cl、[BMIM]BF4等離子液體的合成。

兩步合成法[94]：常規的一步法難以得到的離子液體，就需要兩步法合成。首先合成為季銨或季磷類的中間離子液體，然后用其他的負離子置換中間離子液體的陰離子而得到最終的目標離子液體。例如[EMIM]Ac、[BMIM]Ac的合成。

在化學反應方面，離子液體作為溶劑提供了與傳統分子溶劑不同的化學反應環境，并且可直接用于有機合成中的烷基化[95]、酰基化[96]、酯化和催化等反應的溶劑，因此往往表現出不同于傳統溶劑的反應機理，例如，環戊二烯與丙烯酸甲酯和甲基酮的Diels-Alder反應，在離子液體[EtNH3][NO3]中比在丙酮等非極性分子溶劑中反應速率更快，內旋產物的選擇性更高。在離子液體中烯烴的選擇氫化、選擇性烷基化等反應效果更好。在離子液體中用TiCl4催化乙烯聚合，可以使乙烯停留在低聚反應上。在分離萃取方面，離子液體可以代替傳統溶劑實現燃料油的氧化脫硫，該方法避免了使用有機溶劑所造成的污染和安全問題。在電化學方面，Fuller等[97]研究了二茂鐵在離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟化硼中四硫富瓦烯的電氧化行為，表明其作為電化學溶劑效果非常好。Jonathan等[98]研究有機物的萃取效率時發現，N-甲基咪唑類離子液體具有更好的萃取效果。離子液體在尖端光學設備的制造、納米復合碳材料以及生物柴油的催化方面都表現出驚人的特點，現在離子液體已經廣泛應用于社會各個領域。

二、離子液體/纖維素紡絲原液的制備

（一）纖維素在離子液體中的溶解及機理

離子液體溶解纖維素可以追溯到1934年，Graenacher[99]申請的專利中提到N-乙烷基吡啶氯化物鹽在N2條件下溶解纖維素，但是此種溶劑溶解纖維素溫度高（118～120℃），纖維素易降解，缺乏實用價值。2002年，Rogers團隊[100]研究發現，1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽（[BMIM]Cl）能夠溶解纖維素，且溶解過程中不發生衍生化反應，是纖維素的直接溶解。微波輔助加熱的條件下，纖維素的最高溶解量為25%。除了Cl-，其他陰離子如Br-、SCN-與1-丁基-3-甲基咪唑陽離子組成的離子液體也可以溶解纖維素。研究還發現，陽離子烷基鏈的長度對纖維素的溶解能力有影響。由于長鏈陽離子導致對應的Cl-溶解度和活性降低，含有長鏈陽離子的離子液體比短鏈陽離子的離子液體溶解能力減弱。這一發現首次證明離子液體是纖維素的良溶劑，成為21世紀初纖維素化學領域的重大發現，也使離子液體繼成為NMMO以后的新一類纖維素溶劑。圖2-30為纖維素漿粕的SEM與溶解在[BMIM]Cl的纖維素的SEM比較。

除了[BMIM]Cl，1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物（[AMIM]Cl）、二氯二（3，3-二甲基）咪唑基亞砜鹽（[（MIM）2SO]Cl2）、氯化-1-（2-羥乙基）-3-甲基咪唑（[HeMIM]Cl）、3-甲基-N-丁基氯代吡啶（[BMPY]Cl）和芐基二甲基十四烷基氯化銨（BDTAC）等均能溶解纖維素，且在溶解過程中表現出不同的特性。

關于離子液體溶解纖維素的機理研究，Swatloski[101]等認為陰離子與纖維素分子鏈上的OH形成氫鍵，破壞了纖維素分子內與分子間的氫鍵，使得纖維素溶解。Moulthrop等[89]通過高分辨率研究纖維素和纖維素低聚糖在[BMIM]Cl溶液的構想，證明纖維素分子鏈在離子液體中呈現為無序狀態，纖維素在離子液體中形成“真溶液”。

對于離子液體中陽離子在纖維素溶解過程中的作用，則有不同看法。Remsing等[102]采用和研究不同濃度纖維素/[BMIM]Cl溶液體系的化學位移。研究發現，隨著溶液中纖維素二糖濃度的增大，離子液體陽離子C-4′和C-1′的弛豫時間變化不明顯，說明陽離子與纖維素之間的相互作用較弱。相反，陰離子Cl-的弛豫時間隨著溶液濃度的增大而顯著降低，Cl-與纖維素羥基質子形成氫鍵。說明纖維素的溶解是由于離子液體陰離子與纖維素的相互作用，而陽離子不起作用。

Zhang等以纖維二糖和[EMIM]OAc為模型，采用常規NMR和變溫NMR研究離子液體溶解纖維素的機理，從纖維二糖和[EMIM]OAc的化學位移發現，纖維素的羥基和離子液體陽離子和陰離子形成的氫鍵是纖維素溶解的驅動力。

離子液體中陽離子和陰離子之間存在庫侖力、π—π共價鍵，主要以超分子結構堆積。同時，離子液體中還存在微量的游離陽離子和陰離子。當纖維素與離子液體接觸時，游離的陰離子成為很好的氫鍵受體，首先攻擊纖維素羥基的氫原子，陽離子進而與羥基的氧原子作用，破壞纖維素的氫鍵體系，導致纖維素的溶解，如圖2-31所示。在此基礎上，提出了能夠溶解纖維素的離子液體要求：陰離子必須是較好的氫鍵受體；陽離子具有一定的氫鍵供體能力，即陽離子具有一定活性的H原子，能與纖維素的O原子形成氫鍵；陽離子體積不應太大。此外，在開始溶解階段，[EMIM]OAc和羥基相互作用的化學計量比在3:4和1:1之間，表明一個陽離子或者陰離子同時與兩個羥基作用。

除了NMR，量子力學計算和分子動力學方法也被用于分析纖維素在離子液體中的溶解機理，得出了類似的結論。Liu等通過分子動力學方法研究纖維素在[EMIM]OAc中的溶解機理，通過計算全原子立場，分子動力學模擬聚合度為5、6、10和20的纖維素低聚糖在離子液體中的溶解狀態。計算后推測，纖維素在離子液體中溶解的機理是纖維素分子上的羥基與離子液體的陰離子形成氫鍵。陽離子共軛環也與葡萄糖基環通過范德瓦耳斯力吸引。Xu等通過量子力學計算和分子動力學相結合的方法，認為陰離子和陽離子均與纖維素低聚糖形成氫鍵，纖維素低聚糖同時扮演了氫鍵受體和供體的作用，但是陰離子與纖維素低聚物形成氫鍵作用更強，數量也更多，強調了陽離子在纖維素溶解過程中的作用，如圖2-32所示。

（a）—黃色表示陰離子圍繞陽離子的等平面圖（b）—紅色表示陽離子圍繞陰離子的等平面圖（c），（d）—根據（a）和（b）的等平面重疊圖

（二）纖維素在離子液體中的降解

纖維素在很多溶解中都有降解情況，離子液體中也不例外，例如，Heinze[103]對比了[BMIM]Cl、[BMPY]Cl及BDTAC三種離子液體溶解纖維素后的降解情況，發現纖維素在BDTAC中降解最嚴重，可見陽離子的結構對纖維素降解的影響。然而纖維素在離子液體中降解的原因及機理還不清楚。Fukaya[104]研究了低溫下的極性離子液體溶解微晶纖維素的情況，研究發現，離子液體的極性、黏度、Kamlet-Taft參數及熔點等物理化學性質對纖維素的降解均存在不同程度的影響。離子液體中的雜質如咪唑、甲基咪唑等存在時，烷基甲基咪唑類離子液體會與纖維素發生強烈的反應。因此，了解纖維素在離子液體中的降解可以從離子液體的極性、黏度、Kamlet-Taft參數、pH以及控制離子液體與纖維素的副反應的發生以減少纖維素降解。總體來說，當離子液體為酸性時，纖維素的降解比較嚴重，而纖維素在堿性離子液體中基本不降解。

（三）纖維素/離子液體溶液流變性能

通過對纖維素/離子液體溶液的流變性能研究，不僅可以幫助我們認識纖維素溶液的特性和微觀結構，而且對再生纖維素工藝過程中參數的選擇具有重要指導意義。

Collier研究小組[105]通過動態和拉伸流變測試對纖維素/[BMIM]Cl濃溶液的流變性能進行了分析。結果表明，隨著濃度的降低、測試溫度的提高以及剪切速率的增大，溶液表觀黏度降低，與拉伸黏度對溫度和濃度的依賴性一致。此外，他們運用Cross以及Carreau模型對溶液的流變曲線進行擬合，獲得了溶液的零切黏度等相關參數；通過時溫等效原理得到了溶液表觀黏度的主曲線，并與纖維素/NMMO溶液和熔噴級聚丙烯（PP）的流變曲線進行了比較，發現纖維素/[BMIM]Cl溶液的黏度曲線與木漿粕/NMMO溶液和PP熔體的基本一致，說明纖維素/離子液體溶液不僅可以采用干濕法紡絲，還可用于溶液溶噴技術。

鄺清林等[106]運用穩態流變以及動態流變研究了纖維素濃度以及溫度對纖維素/[AMIM]Cl溶液體系流變特性的影響，低濃度纖維素離子液體稀溶液的黏度曲線在低剪切速率區產生了一個切力變稀區域，他們認為這與離子液體本身所具有的瞬時物理網絡結構被破壞有關。此外，他們還發現在稀溶液中，約化無量綱特性模量與頻率的依賴性介于Zimm與剛性鏈模型之間，表明纖維素在[AMIM]Cl中呈半剛性棒狀鏈構象。隨著溶液濃度的增加，纖維素在溶液中的運動行為轉變為Rouse行為。溶液不符合Cox-Merz法則，這是由于在穩態剪切作用下，纖維素分子鏈容易發生聚集纏結，致使溶液黏度增大。

陳珣等[107]系統地研究了纖維素濃度對纖維素/[BMIM]Cl溶液流變性能的影響，這種溶液在常溫時處于過冷狀態。根據纖維素濃度不同，可以將纖維素溶液分為稀溶液、半稀非纏結溶液（亞濃溶液）以及半稀纏結溶液（濃溶液）三個區域，纖維素在[BMIM]Cl中的重疊濃度與纏結濃度分別為0.5%和2.0%（質量分數）。在他們的測試范圍內，溶液濃度對增比黏度、松弛時間以及平臺模量間的依賴性符合中性聚合物在θ溶劑中的標度關系，而Cox-Merz法則同樣不適用于纖維素/[BMIM]Cl溶液體系。

Budtova等[18，109]研究了不同相對分子質量的纖維素在[EMIM]Ac溶液的流變性能，發現不同濃度的纖維素溶液在特定的剪切速率范圍內都表現出了牛頓流體的特性。溶液零切黏度與濃度的冪率成正比。此外，他們進一步研究了特性黏度，并求得了Mark-Houwink指數介于0.4～0.6之間，表明[EMIM]Ac可能是纖維素的θ溶劑。纖維素在[EMIM]Ac中的特性黏度隨著溫度的升高而減小，表明溶劑的熱力學性能可能隨著溫度的升高而變差，纖維素/[EMIM]Ac溶液的黏流活化能隨纖維素濃度的增加而增大。他們還比較了纖維素在[EMIM]Ac和[BMIM]Cl中的特性黏度和黏流活化能，發現兩種溶劑具有相同的熱力學性能。

Song[110]研究了微晶纖維素在[AMIM]Cl中的相轉變過程，結果表明，當纖維素超過一定濃度、合適溫度條件下可以形成各向異性相。在25℃時，從各向同性轉變到兩相共存時的濃度為9%（質量分數），轉變為各向異性時的濃度為16%（質量分數）。溶液黏度和第一法向應力差隨著纖維素含量的增加，先增加后減小，在14%（質量分數）時達到最大值。這是由于纖維素濃度超過14%（質量分數）后，分子鏈間的摩擦系數變小，分子鏈的取向開始占主導。這種情況有利于纖維素濃溶液的紡絲。此外，他們還研究了微晶纖維素/[EMIM]Ac溶液體系，發現隨著纖維素含量的增加，溶液會出現液晶相轉變和溶膠—凝膠轉變。纖維素濃度超過10%（質量分數），會發生溶致液晶現象；當纖維素濃度超過12.5%（質量分數）時，溶液在冷卻過程中將形成液晶凝膠；并且當濃度超過13%（質量分數）后，低頻下表現出特殊流變行為。

綜合上述，不同的離子液體對纖維素分子鏈有不同的影響。此外，由于離子液體/纖維素溶液黏度較大，不利于纖維素加工成型。因此，研究人員嘗試在離子液體中添加共溶劑如二甲基亞砜（DMSO）、吡啶等來降低纖維素溶液的黏度用于纖維素產品的加工，并取得了較好的效果。

三、離子液體/纖維素紡絲與后處理

（一）離子液體/纖維素紡絲

目前，離子液體/纖維素紡絲可采用兩種方法進行。其一，是采用常規的溶解釜溶解后經脫泡、過濾，并經干濕法紡絲制備出纖維素纖維；其二，是通過雙螺桿擠出機將離子液體/纖維素漿粥直接進行溶解、脫泡、過濾，然后經過干濕法紡絲制備出纖維素纖維，該方法獲得的纖維素溶液質量分數較高。國內從事相關工作的單位包括中國科學院化學研究所、天津工業大學、東華大學、中國紡織科學研究院、恒天海龍新材料有限責任公司、恒天天鵝有限責任公司等。其中恒天海龍新材料有限責任公司及恒天天鵝有限責任公司均建設了上述試驗線。

需要指出的是，離子液體對金屬尤其是鐵具有較強的腐蝕性，為防止紡絲線上設備腐蝕，必須對設備提出特殊的防腐要求。

紡絲工藝包括離子液體種類、纖維素相對分子質量及其分布、紡絲液濃度、凝固浴濃度及溫度、氣隙長度、卷繞速度等，這些條件決定了纖維素纖維的力學性能。

2005年，Laus等[111]利用離子液體[BMIM]Cl和[AMIM]Cl作為纖維素溶劑，借鑒Lyocell纖維的制備工藝，首次實現了離子液體為溶劑制備再生纖維素纖維。纖維素聚合度1175，離子液體為[BMIM]Cl，溶解溫度105℃，真空度30mbar的條件下，制備的再生纖維素纖維強度最高，達到3.79cN/dtex，斷裂伸長率為11.3%。2006年，Hermanutz等[112]以[EMIM]OAc為溶劑制備再生纖維素纖維，纖維強度為3.0～3.5cN/dtex。Hermanutz等[113]還對比了離子液體種類對紡絲工藝的影響，相比于[BMIM]Cl、[EMIM]OAc黏度低，溶解能力強，紡絲液的黏度可以通過溫度和纖維素濃度條件調節，便于靈活調控紡絲工藝。

不同的離子液體制備的纖維力學性能也有所不同。Kosan等[114]研究了離子液體（[BMIM]Cl、[EMIM]Cl、[BMIM]OAc、[EMIM]OAc）與NMMO分別為溶劑制備的纖維素纖維。發現上述四種離子液體均能用于纖維素的干噴濕紡，制備得到的纖維具有較好的紡紗性能。陽離子為[EMIM]+的離子液體比陽離子為[BMIM]+的離子液體零切黏度低。而采用陰離子為Cl-的離子液體，制備得到的纖維比陰離子為Ac-的離子液體制備的纖維具有更高的斷裂強度和纏結強度，斷裂生長率更低。此外，醋酸型離子液體能夠實現纖維素的高溶度溶解，更有效地實現纖維素的紡絲。再生纖維素纖維的紡絲條件和纖維性能如表2-16所示。蔡濤等采用[BMIM]Cl作為纖維素的溶劑，干噴濕法紡絲制備再生纖維素纖維。離子液體為溶劑制備的纖維與Lyocell纖維形貌、結晶度、取向度、染色性類似，也不可避免地具有原纖化傾向。

表2-16　再生纖維素纖維的紡絲條件和纖維性能[114]

（二）后處理

后處理包括纖維后處理和溶劑回收。纖維后處理包括水洗、上油、切斷、烘干和打包等過程。這些過程與Lyocell纖維類似，所采用的設備也類似。但由于離子液體與纖維素的相互作用較強，造成離子液體經常規水洗后不易被輕易去除，因此需要增加水洗溫度和時間。

溶劑回收主要是指離子液體的回收，包括絮凝、過濾、濃縮等過程。與NMMO不同的是，離子液體溶解纖維素后基本不發生副反應，性質較穩定，因此經過絮凝、過濾后，濃縮階段采用多效蒸發或膜濃縮與多效蒸發相結合的方法。

（三）離子液體回收

需回收的離子液體主要來自凝固浴、水洗浴和工藝處理廢水。回收水溶液經高效過濾器進行粗過濾去除短纖維、膠塊等雜質；除雜后的水溶液由膜過濾增濃，稀溶液進入凝固浴循環利用，濃溶液進入薄膜蒸發器進行增濃提純；提純后的離子液體進入溶解工段循環利用，蒸出水溶液進入后處理精練系統，最終實現整個系統的封閉循環。離子液體回收工藝流程如圖2-33所示。

1.粗過濾——除雜

通過進行微孔管預涂，應用后過濾精度高，對濾液中雜質的去除率高達99%以上，過濾速度快，是傳統過濾器的3～5倍；過濾量大，是傳統過濾器的2～6倍；反洗用時少，是傳統過濾器的40%；反洗基本不用水，降低了消耗，避免造成二次污染。

2.膜過濾——增濃

膜過濾是一種與膜孔徑大小相關的篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以膜為過濾介質，在一定的壓力下，當液體流過膜表面時，膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質則被截留在膜的進液側，成為濃縮液，因而實現對原液的分離和濃縮的目的。膜法分離的最大特點是驅動力主要為壓力，不伴隨大量熱能的變化。因而有節能、可連續操作、便于自動化等優點。

根據離子液體水溶液的特點，與下游膜過濾材料廠家合作，尋找出適宜的膜過濾材料，開發出膜過濾增濃系統，達到了增加濃度、降低回收成本的目的。

3.高效蒸發器——濃縮、提純

膜蒸發器是一種新型高效傳熱設備。它具有設備體積小、蒸發強度高、物料蒸發溫度低、受熱時間短、濃縮倍數大、物料最終濃度高以及蒸發室可方便拆洗等特點。

增濃到一定濃度的離子液體溶液進入刮板式薄膜蒸發器中，通過減壓、升溫將水分與離子液體分離。

四、新型纖維素纖維的結構、性能與應用前景

（一）纖維的結構

由于離子液體/纖維素紡絲過程中凝固劑是水，離子液體在水中的擴散較慢，因此紡絲成形的纖維通常接近圓形。如圖2-34所示，常規黏膠纖維截面具有不規則的片狀結構，而離子液體纖維界面則接近圓形。

離子液體法纖維素纖維結晶度和取向度也有別于普通黏膠纖維。Jiang等[115]通過同步輻射WAXD和SAXS研究制備工藝對再生纖維素纖維結構和性能的影響。以離子液體、NMMO溶劑的再生纖維素纖維與黏膠工藝的普通黏膠纖維和莫代爾纖維相比，纖維取向度和結晶度更高，纖維微孔長度較短，取向偏離程度也較小，如圖2-35所示。因此，以離子液體和NMMO為溶劑制備的再生纖維素纖維表面光滑，斷裂強度和初始模量更高。

（二）纖維的性能

1.力學性能

離子液體法纖維素纖維力學性能接近于Lyocell纖維。人們以[BMIM]Cl為溶劑，采用雙螺桿機制備了纖維素纖維，所得纖維力學性能見表2-17。

表2-17　纖維力學性能

表2-17所示的纖維斷裂強度基本在3.0～3.5cN/dtex，干斷裂伸長率為10%～12%，濕態下模量一般在1cN/dtex左右。纖維的強力和濕模量明顯高于普通黏膠纖維，但纖維的干伸長率相對偏低，韌性稍差一些。Uerdingen以[EMIM]Ac為溶劑，采用不同制備方法制備了纖維素纖維，獲得了較好力學性能的纖維。且通過干濕法制備的纖維力學性能達到了Lyocell纖維的強度，并具有類似的原纖化程度（表2-18）。總體上來說，離子液體法纖維素纖維具有Lyocell纖維相似的力學性能，其生產過程更簡單。

表2-18　不同溶劑紡制的纖維的性能比較

2.纖維的功能性

由于離子液體具有很好的化學穩定性、溶解性，可以用于制備許多纖維素功能纖維，如纖維素抗菌纖維、纖維素阻燃纖維等。

纖維素抗菌纖維主要是通過在離子液體中添加抗菌劑或者以離子液體為反應介質接枝抗菌劑到纖維素上來制備纖維。Pinto等[116]分別以植物纖維素和細菌纖維素為抗菌基材，采用兩種不同的方法將銀納米顆粒負載在這兩種基材上，制備出纖維素/銀納米復合材料。這兩種材料均具有高效的抗菌性，并且銀納米顆粒的濃度低達5.0×10-4%（質量分數）。Roy等[117]通過可逆加成—斷裂鏈轉移聚合在纖維素表面接上聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，然后再用溴代烴進行季銨化，即得到季銨化改性抗菌纖維素。

纖維素阻燃纖維主要是通過共混、接枝、后整理、紫外光固化及層層自組裝等方法來制備。但離子液體法纖維素阻燃纖維主要還是通過共混和接枝的方法來制備。共混主要是在溶液體系中添加有機或無機阻燃劑，進行均勻分散后紡絲制備，而接枝則是將阻燃劑接枝到纖維素羥基上，從而提高產物阻燃性能。Zheng等[118]采用原位活化法，利用3-羥基苯基磷酰丙酸為阻燃劑，成功制備了3-羥基苯基磷酰丙酸纖維素酯，所得纖維LOI最高可達36%。

3.應用前景

離子液體法纖維素纖維具有與Lyocell纖維類似的力學性能，可用于紡織服裝、家用紡織品、產業用紡織品等領域。目前，相關的產品仍在研發中。